第一盏星光与暗物质

苗千

一个经由一场大爆炸而诞生的阴冷黑暗的宇宙，何时才能迎来黎明？当宇宙中的第一颗恒星形成，整个宇宙都被点亮，又会对整个宇宙的命运造成怎样的影响？在宇宙大爆炸发生了将近138亿年之后，人类是否还能回溯到宇宙开始变亮的那一刻？

在澳大利亚西部茫茫沙漠的中间，一组科学家在这里终年忙碌，这是为了用一种特殊的方法探测到宇宙中的第一盏星光。他们在位于西澳大利亚的默奇森电波天文观测站（Murchison Radio-astronomy Observatory），远离现代生活的各种无线电干扰，建造出一个比家用冰箱略大的天线进行天文学探测。相比于动辄花费天文数字的各种天文学探测设备，这个天线的造价不到500万美元。而在经过了12年的探测之后，这组科学家利用这个天线探测到的数据震惊了世界天文学界。如果这组数据还有其所指向的结果能够最终被证实，不仅会让人们对于宇宙早期形态的认识更加清晰，还有可能对于当今物理学研究的最大谜团——暗物质的真实身份——产生决定性的影响。

想要理解这个发现的意义，需要从宇宙的源头开始说起。人们至今仍然不清楚最早的恒星于何时形成，它们又具有哪些性质。宇宙经过大爆炸诞生大约40万年之后，逐渐形成了氢原子和氦原子，这些原子弥漫在黑暗的宇宙空间之中，随后在引力的作用下，物质开始逐渐聚合，形成恒星，整个宇宙于是被点亮了。天文学家估计这些最早期的恒星可能比现在的恒星更热，结构也更简单。

关于第一盏星光究竟在何时被点亮，在天文学界有各种理论进行预测，根据最新的探测结果来看，最初的恒星形成于宇宙诞生之后的1.8亿年。恒星的出现对于整个宇宙的形态和演化过程都造成了重大影响。恒星被点亮之后，弥漫在它们周围的氢气终于有可能被“看见”，它们发出的光线可以被氢气吸收，这也是恒星形成的最重要的标志，它开始影响周围的媒介。从某种意义上说，构成地球和人类的主要物质都源于恒星。目前在宇宙中常见的一些天体，包括黑洞，大多也都源于恒星。追溯第一颗恒星的历史，也就相当于追溯到了人类演化历史的最源头。

恒星出现的意义还不止于此。在恒星出现之前，氢原子与大爆炸产生的宇宙微波背景辐射都均匀地弥漫在宇宙空间中，彼此之间的相互作用形成了一种平衡状态。当恒星出现之后，它所发射的紫外线可能被分布在它周围的氢原子所吸收，这个过程会影响氢原子的结构，造成氢原子内电子的跃迁，进而发射出波长21厘米（频率为1420兆赫兹）的辐射，而这种辐射有可能在地球上被探测到。辐射在宇宙膨胀过程中经过红移现象演变得波长更长、频率更低。正是因为辐射的波长和频率随着宇宙的膨胀而逐渐变化，天文学家可以通过探测到的辐射特点来判断它所形成的时间。在澳大利亚进行天文探测的研究小组正是因此推断了宇宙最初开始变亮的时间，而辐射信号的消失则标志着宇宙中最早期的恒星的熄灭——通过波长判断这是发生在宇宙形成的2.5亿年之后。

这个在澳大利亚的沙漠中进行天文学探测的研究小组由来自美国亚利桑那州立大学和麻省理工学院的天文学家组成，他们正合作进行一个名为“全天再电离时期信号探测实验”（Experiment to Detect the Global EoR Signature）的项目研究，他们希望利用一组特殊制作的天线，探测来自宇宙中第一颗恒星所发出的辐射信号。因为这种信号的频率上限恰好与地球上电台广播的频率相重合，任何来自地球的干扰信号都可能是他们想要探测的宇宙信号强度的上千倍，天文学家们只能在没有任何来自地球的无线电波干扰的默奇森电波天文观测站进行探测。资助这个研究项目的美国国家科学基金会项目主管彼得·科琴斯基（Peter Kurczynski）形容说，想要探测这样的信号，就如同要在风暴的中心探测蜂鸟扇动翅膀的声音。

实际上，研究小组最初是想探测宇宙中更晚一些时间的恒星辐射信号，但是从2015年开始，他们把探测信号的频率调整到了78兆赫兹，这个频率所对应的时间为宇宙大爆炸之后的1.8亿年。多年的辛苦工作终于取得了回报，2018年3月1日，来自亚利桑那州立大学的天文学家贾德·鲍曼（Judd Bowman）与合作者们共同在《自然》（Nature）杂志发表论文《以78兆赫为中心的全天平均光谱吸收曲线》（“An Absorption Profile Centred at 78 Megahertz in the Sky-averaged Spectrum”），报告了研究小组多年来取得的探测结果。

鲍曼的研究小组通过地面天线探测到了宇宙大爆炸发生1.8亿年之后，也就是距今大约136亿年前的恒星辐射信号。它是来自远古的恒星光线在被周围氢气吸收之后留下的印记，这也是宇宙中最早的恒星所能留下的信号。鲍曼自己评价说，除了宇宙大爆炸之外，这是人类能够探测到的最早的宇宙信号。

如果说探测到了宇宙中最早的恒星所留下的信号，让人们对于宇宙的早期状态的理解更加清晰，并且验证了一种全新的探测宇宙的方法完全可行，还算是在研究者的预料之中的话，那么一些意料之外的发现就让人感到既迷惑又兴奋了。天文学家们探测到的早期恒星的信号强度是此前预测的两倍，鲍曼以及合作者们对这个结果感到非常迷惑，他们甚至重新建造了一个天线，又花费了两年时间进行探测，结果依然如故。

要解释这个现象，只能认为当时宇宙空间中氢原子的温度只有天文学家们此前估计的一半。根据估算，当时氢原子的平均温度应该为大约6开尔文，而探测信号显示，当时氢原子的平均温度仅仅为3开尔文左右。那么又该如何解释在宇宙形成的早期，氢原子的平均温度只有理论估算温度的一半？以色列特拉维夫大学的天文学家热纳·巴克纳（Rennan Barkna）认为，理论与实际的差别，涉及到了当今物理学研究中最大的一个谜题：暗物质之谜。巴克纳的推断在物理学界所引发的震动更甚于鲍曼做出的发现。

2018年3月1日，在同一期《自然》杂志中，紧随鲍曼与合作者所发表的论文，巴克纳根据他们的探测数据也发表了一篇论文《由最早的恒星所揭示的重子与暗物质粒子之间可能存在的相互作用》（“Possible Interaction Between Baryons and Dark-Matter Particles Revealed by the First Stars”）。论文中所谓的“重子”（Baryon）可以理解为人类已经发现和理解的普通物质。而自从上世纪30年代人类发现暗物质的存在之后，人们通过引力作用的计算，发现其占宇宙总物质能量的26.8%，却至今仍然对其性质缺少理解，甚至连暗物质的基本组成形式都不清楚。

巴克纳的论文将暗物质与天文学家们刚刚发现的宇宙中最早的恒星信号联系在了一起，他认为正是由于暗物质的存在，使当时氢原子的平均温度低于预期。巴克纳在论文中推断，在当时的宇宙条件下，唯一可能温度低于氢原子的物质就是暗物质。如果在当时氢原子与暗物质粒子发生了相互碰撞，两者之间就有可能发生能量交换，从而降低氢原子的温度——如果这个解读成立的话，这就是人类第一次通过非引力作用探测到暗物质的存在。

尽管目前人们观测不到暗物质与普通物质发生相互作用，但是在宇宙诞生的初期情况可能并不是如此。天文学家们猜测，在低温、低速的条件下，暗物质有可能与普通物质发生相互作用。经过计算，暗物质粒子要和氢原子发生散射，暗物质粒子的质量大约相当于质子质量的几倍——这可能也正是人类多年来都无法探测到暗物质粒子的原因，人们此前估计的暗物质粒子，例如大质量弱相互作用粒子的质量都远超质子。粒子物理学家们之前可能完全找错了方向。

鲍曼研究小组的探测结果以及巴克纳的推断在《自然》杂志发表之后，迅速在全世界物理学界引发了轩然大波。这不单单可能是人类探测宇宙早期状态的一个重大突破，也有可能是几十年来人类所做暗物质研究的最重大突破。哈佛大学理论物理学家阿维·勒布（Avi Loeb）评价说，如果这个研究成果和推断都能成立的话，值得获两个诺贝尔奖，但是“不寻常的主张需要不寻常的证据”，还需要耐心等待其他研究小组对探测结果进行确认。

人类进行天文学研究，追寻整个宇宙以及人类自身的源头，找寻人类自身存在的价值，这可能正是人类进行科学研究最根本的意义所在。而在进行科学研究和探测的过程中收获意外惊喜，进而可能对科学发展做出贡献，则是一位科学家所能获得的最大奖赏了。在21世纪，在宇宙大爆炸发生的138亿年之后，人类能够探测到宇宙中第一盏星光，这难免让人想起叙利亚诗人阿多尼斯的詩句：

当我把眼睛沉入你的眼睛

我瞥见幽深的黎明

我看到古老的昨天

看到我不能领悟的一切

我感到宇宙正在流动

在你的眼睛和我之间

（本文写作参考了《自然》《科学》杂志，以及美国亚利桑那州立大学的报道）